物理学新进展，质子内部的结构图逐渐清晰，刷新我们对物质的认知

科学家们正在用新的方法研究质子，就像在研究一个微小的行星一样。他们发现了质子内部的一些新的细节，比如中心有非常强的压力，比我们知道的任何物质都要强。在质子的中间部分，有一些力的旋涡在相互碰撞。而且，质子的整体大小比以前的实验结果显示的要小一些。

这项研究代表了我们进一步认识质子的新阶段，而质子是构成我们周围大部分物质的一种基本微粒。

这将改变我们看待物质基本结构的方式。

在这项新的实验中，科学家们用一种新方法来研究质子，这种方法让我们能够看到质子受到的引力是如何影响它的内部结构的，比如它里面的能量、压力和剪切力是如何分布的。他们用一对光子来模拟引力子（假设的传递引力的粒子），这样就可以间接地了解到如果用引力子来撞击质子，会发生什么。这种方法实现了科学家们长期以来的一个梦想，即用不同的方式来探索质子的性质。

这是一项壮举，从实验角度来看，极其复杂。

从光子到引力子

在过去70年里，科学家们通过不断地用电子撞击质子，学到了很多关于质子的信息。他们发现质子的电荷从中心向外大约延伸了0.8飞米，也就是十亿分之一米。他们还发现，当电子撞到质子时，它们通常会轻轻地碰到质子里面的三个夸克中的一个，这些夸克是带有一部分电荷的基本粒子，并且在质子里面不停地动来动去。更奇怪的是，在更强烈的碰撞中，电子好像会遇到更多的夸克和胶子，胶子是一种粘合夸克在一起的力，这就像是在一个由夸克和胶子组成的泡沫海中。

所有我们目前所知道的关于质子的信息，都是通过一个简单的实验得到的：就是用一个电子去撞击一个质子，然后这两个粒子之间会交换一个光子，这个光子是电磁力的传递者，它会让这两个粒子互相推开。这种电磁力的相互作用让物理学家知道了带电的夸克（质子内部的基本粒子）是怎样排列的。但是质子里面还有很多东西，不仅仅是电荷那么简单。

康涅狄格大学的理论物理学家彼得·施魏策尔的大部分职业生涯都在思考质子的引力问题。具体来说，他对质子的一种称为能量-动量张量（energy-momentum tensor）的属性矩阵感兴趣。

能量-动量张量知道关于粒子的一切，他说。

在阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论中，将引力视为物体沿着时空曲线运动，能量-动量张量告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动。例如，它描述了能量（或等价地，质量）的排列——这是时空扭曲的主要来源。它还跟踪有关动量分布的信息，以及哪里会有压缩或膨胀，这也可以轻微地弯曲时空。

如果我们能了解包围质子的时空形状，我们就能推断出其能量-动量张量中的所有属性。这些属性包括质子的质量和自旋，这些已经是已知的，以及质子压力和力的分布，物理学家将这个集合属性称为“Druck项”。这个术语和质量及自旋一样重要，但没有人知道它是什么。

在1960年代，人们认为要测量质子的能量-动量张量和计算Druck项，需要做一个特殊的实验（引力散射实验）：就是用一个非常大的粒子去撞击质子，让它们交换一个叫做引力子的假想粒子，这个引力子是构成引力波的基本单元，类似于光子是光的基本单元。但问题是，引力非常非常弱，物理学家预计引力子散射的发生频率比光子散射低39个数量级。实验不可能探测到如此微弱的效应。

没有引力子的引力

如今，引力实验仍然是难以想象的。但物理学家季向东和马克西姆·波利亚科夫在20世纪90年代末和21世纪初的研究揭示了一种变通方法。

总体方案如下：

通常情况下，当你用电子去撞质子时，它会碰到质子里的一个夸克，给它传递一个光子，然后稍微偏离方向。但在极少数情况下，会发生一些特别的事情：电子发射的光子被一个夸克吸收，然后这个夸克很快又发射出另一个光子。这种情况不同寻常的地方在于，这里涉及到两个光子，一个是进来的，一个是出去的。季向东和波利亚科夫通过计算发现，如果科学家能够收集到这个过程中的电子、质子和光子，他们就能根据这些粒子的能量和动量来推断出这两个光子之间发生了什么。

这个双光子实验本质上与不可能的引力子散射实验一样有信息量。

两个光子怎么可能知道关于引力的信息？答案涉及复杂的数学。但物理学家提供了两种思考这个技巧为什么有效的方法。

光子是电磁场的波动，可以用空间中每个位置的一个箭头（或向量）来描述，表示场的值和方向。引力子将是时空几何的波动，这是一个更复杂的场，由每个点的两个向量的组合表示。捕获一个引力子将给物理学家两个向量的信息。如果没有引力子，两个光子可以代替引力子，因为它们也共同携带两个向量的信息。

数学的另一种解释是这样的。在夸克吸收第一个光子和发射第二个光子之间的瞬间，夸克沿着空间中的一条路径运动。通过探测这条路径，我们可以了解像路径周围的压力（pressures）和力（forces）等属性。

探索质子行星

杰斐逊实验室的科学家们在2000年发现了一些特殊的实验现象，这让他们很兴奋，于是他们决定做一个新的实验。到了2007年，他们进行了足够多的实验，让电子撞击质子，模拟了大约50万次类似于引力子（一种假想的粒子）的碰撞。然后他们又花了十年的时间来分析这些实验数据。

从他们的时空弯曲属性指标中，团队提取出了难以捉摸的Druck项，并在2018年的《自然》杂志上发表了他们对质子内部压力的估计。

他们发现，在质子的核心，强力产生了难以想象的强度的压力——10^29 帕斯卡，大约是中子星核心的压力的10倍。从中心向外，压力下降并最终向内转变，这是为了防止质子自爆。这是从实验中得出的，质子实际上是稳定的。

这个发现与质子衰变无关，后者涉及一些推测性理论预测的不同类型的不稳定性。

杰斐逊实验室小组继续分析Druck项。他们在12月发表的一篇综述中发布了剪切力的估计——内部力沿着质子表面平行推动。

物理学家发现，靠近核心的地方，质子经历了一个扭曲力，这个力被靠近表面的另一个方向的扭曲中和了。这些测量结果也强调了粒子的稳定性。根据Schweitzer和Polyakov的理论，这些扭曲现象是可以预料的。但即使是这样，当第一次在实验中真正看到这些扭曲发生时，还是会感到非常惊奇。

现在他们正在使用这些工具以一种新的方式计算质子的大小。在传统的散射实验中，物理学家观察到粒子的电荷从其中心向外延伸大约0.8飞米。但是那个“电荷半径”有一些奇怪之处。例如，在中子的情况下——质子的中性对应物，其中两个带负电的夸克倾向于深入粒子内部，而一个带正电的夸克在表面附近停留更长时间——电荷半径是负数。

这并不意味着大小是负的；这个负数只是说明这个测量标准可能不太准确，不能完全反映实际情况。

新方法测量的是时空由质子显著弯曲的区域。在一篇尚未经过同行评审的预印本中，杰斐逊实验室团队计算出这个半径可能比电荷半径小约25%，仅为0.6飞米。

质子行星的极限

从概念上讲，这种分析方法把夸克在质子内部复杂的运动简化成了一个像行星那样固定不动的物体，每一点上都有一定的压力和力作用。这样简化后的“冻结行星”模型虽然不能完全展示出质子在量子层面的复杂性，但它是一个很有用的模型。

物理学家们指出，他们最初绘制的质子内部的结构图并不是很精确，有几个原因导致了这种情况。

首先，精确测量能量-动量张量将需要比杰斐逊实验室能够产生的更高的碰撞能量。团队已经努力地从他们能够访问的相对低能量中仔细地推测趋势，但物理学家仍然不确定这些推断有多准确。

此外，质子不仅仅由夸克组成；它还包含胶子，胶子自带其自己的压力和力。用两个光子的方法无法探测到胶子的影响。杰斐逊实验室的另一个团队使用了类似的技巧（涉及双胶子相互作用）去年在《自然》杂志上发表了胶子效应的初步引力图，但它也是基于有限的、低能量的数据。

更清晰的质子夸克和胶子的引力图可能会在2030年代出现。

与此同时，物理学家正在推进数字实验。麻省理工学院的核与粒子物理学家Phiala Shanahan领导一个团队，从强力的方程式出发计算夸克和胶子的行为。2019年，她和她的合作者估计了压力和剪切力，以及在10月，他们估计了半径等其他属性。到目前为止，他们的数字发现与杰斐逊实验室的物理结果大致一致。

虽然我们目前对质子的了解还不是很清楚，但即使是这些不太清晰的观察也已经在一定程度上改变了科学家们对质子这种粒子的认识。

我们对质子的新认识已经带来了一些实际的改变。在欧洲的CERN实验室，他们有一个世界上最大的大型强子对撞机，用来让质子相互撞击。以前，物理学家认为在一些特殊的撞击事件中，质子里的夸克可能会分布在任何地方。但现在，根据新的理论，他们发现在这些情况下，夸克实际上更倾向于聚集在质子的中心附近。

新的质子内部结构图也可能为解决质子的一个最深刻的谜题提供指导：为什么夸克会自行结合成质子。有一个直观的论点，即因为每对夸克之间的强力随着它们相互远离而增强，就像橡皮筋一样，夸克永远无法逃脱它们的同伴。

质子是由一种叫夸克的粒子组成的，而其中最轻的夸克构成了质子。这些轻夸克可以想象成一种波，它们不仅存在于质子内部，还可以延伸到质子外面。这种情况让人们认为，质子内部的夸克可能不是像拉紧的橡皮筋那样通过内部力量结合在一起的，而是可能通过这些伸展开的波状夸克之间的外部作用力来结合的。压力图表明，这种强大的吸引力作用可以延伸到质子外部1.4飞米甚至更远的地方，这支持了这种新的理论观点。